砂卵石填筑料的物理力學(xué)性質(zhì)研究

砂卵石填筑料的物理力學(xué)性質(zhì)研究

1壩體斷面及壩殼料選擇土石壩是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的水庫之一。與其他水庫相比，土石壩最大的特點(diǎn)之一是根據(jù)水庫附近自然材料的特點(diǎn)，因地制宜地有效利用，靈活設(shè)計水庫截面。近年來，隨著土壤改良技術(shù)的發(fā)展，尤其是大型土壤改良技術(shù)的發(fā)展，振動平鉆的使用，對水庫材料的限制有許多突破和擴(kuò)大。由于水庫材料的選擇受到長期的強(qiáng)度和變形的影響，人們通常選擇堅硬的大石頭作為水庫外殼材料。然而，通常水庫附近的客觀條件是不利的，并且很難開采大量的材料。只有大量的碎屑，如河流沉積、沉積層和河床沉淀。這些材料是良好的建筑材料。加強(qiáng)對這些當(dāng)?shù)夭牧系奈锢砹W(xué)特性的研究對于擴(kuò)大資源來源，促進(jìn)水庫工人的選擇和當(dāng)?shù)夭牧系陌l(fā)展具有重要的工程實踐意義。2大壩砂心墻堆石壩在建的該水電站為二等工程,心墻堆石壩壩高108m,屬高土石壩,提高一級按Ⅰ級建筑物設(shè)計.電站采用混合開發(fā)方式,壩址處控制流域面積573km2,電站最大引用流量40.8m3/s,最大水頭234.7m,引水隧洞長9530m大壩類型為礫石土心墻堆石壩,壩頂高程2274m,正常蓄水位2270m,最大壩高108m,壩頂寬10m,壩頂長317m,壩體總堆筑量483萬m3.在筑壩材料的選擇上,堆石料采用的是河床沉積砂卵石來替代開采新鮮大塊巖石進(jìn)行填筑.經(jīng)地質(zhì)調(diào)查,砂卵石堆石料料場滿足使用要求.砂卵石堆石料的開采采用“兩采一鋪”的新工藝進(jìn)行開采.3土壤質(zhì)量濃度砂卵石的級配也是影響土料性質(zhì)的重要因素,即使為同一母巖的風(fēng)化產(chǎn)物,不同的級配組成決定了其性質(zhì)和用途也迥然不同,因此級配分析是土料力學(xué)性質(zhì)和工程應(yīng)用研究的基礎(chǔ).砂卵石料的顆粒分析試驗在筑壩材料調(diào)查勘察階段由施工單位委托有關(guān)設(shè)計單位完成,共從料場選取34組砂卵石料進(jìn)行篩分試驗.34組成果統(tǒng)計表明砂卵石料顆粒級配組成中:大于200mm粒徑漂石含量為7%～46%之間,平均為20%;200～60mm粒徑卵石含量為18%～26%之間,平均26%;小于5mm粒徑顆粒含量為4.2%～29.5%之間,平均19.0%;小于0.075mm粒徑顆粒含量為0.14%～4.20%之間,平均2.02%.各組級配的不均勻系數(shù)介于13.0～62.0之間,曲率系數(shù)介于1.56～1.61之間.因為試樣同時滿足Cu>5和Cc=1～3,故砂卵石料為級配良好的材料.作多組級配曲線分布特征,如圖1.對于從現(xiàn)場采集到的天然材料,從其級配特性可以看其工程用途.有學(xué)者統(tǒng)計了過去國內(nèi)外筑壩所用材料的顆粒級配曲線,從而提出了防滲材料和壩殼材料選用的理想界限.曲線中a是防滲體材料的細(xì)限,b是防滲體材料的粗限,b～c是優(yōu)良的壩殼透水料,d是密實度最佳的壩殼透水料.比較砂卵石料多組級配曲線分布特征(圖1)和國內(nèi)外建議的理想土料顆粒曲線,可以看出:試樣的級配曲線均落在建議理想級配的優(yōu)良的壩殼透水料和密實度最佳的壩殼透水料(b～d)之間,其下包線級配較貼近密實度最佳的透水料曲線(d),故從級配特性來看該料場的砂卵石料為性能優(yōu)良的壩殼透水料.3壓實特性參數(shù)在土石壩的填筑中,填筑料的壓實是極為重要的一個環(huán)節(jié)和控制因素.從壩殼料的填筑看,它決定著填筑體的尺寸,同時也是其它力學(xué)特性試驗試樣制備的控制標(biāo)準(zhǔn)和填筑時施工質(zhì)量控制的重要指標(biāo).因此,通過壓實特性試驗,獲取填筑料的最大干密度、最優(yōu)含水率、相對密度等壓實特性參數(shù),準(zhǔn)確把握壓實特性,合理確定壓實標(biāo)準(zhǔn)和施工參數(shù),對于評價填筑料的壩用性能,為工程設(shè)計和現(xiàn)場碾壓施工、控制填筑質(zhì)量提供指導(dǎo),具有非常重要的實踐意義.本工程的壩體填筑中,為了保證填筑的質(zhì)量,在填筑過程中根據(jù)工程情況進(jìn)行了現(xiàn)場的碾壓試驗,依據(jù)《土工試驗規(guī)程》、《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》要求和研究需要,現(xiàn)已經(jīng)完成了砂卵石堆石料的碾壓試驗七組,碾壓試驗成果見表1.從表1中可以得知,砂卵石含礫量范圍在80.82%～85.86%之間,由于含礫量差別不大,故全料的干密度相差也不是很大,現(xiàn)已完成的現(xiàn)場試驗及碾壓試驗成果表明,全料干密度變化范圍在2.23g/cm3和2.27g/cm3之間而設(shè)計的干密度要求最低為2.18g/cm3,顯然從現(xiàn)場的碾壓試驗可知,填筑料壓實后實測的干密度都大于設(shè)計要求控制干密度標(biāo)準(zhǔn),完全滿足規(guī)范對高土石壩的填筑要求.4壩體防滲變形砂卵石料的滲透特性包括滲透性和滲透變形兩方面.滲透性是由于骨架顆粒之間存在孔隙構(gòu)成水的通道所致,滲透系數(shù)是表達(dá)液體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動這一現(xiàn)象的定量指標(biāo).此次砂卵石堆石料的防滲性研究采用常水頭滲透試驗,水在常水頭壓力下通過土樣進(jìn)行滲透的,大型滲透試驗結(jié)果見表2.由表2可知,該料在不同制樣干密度條件下的滲透系數(shù)為1.42×10-1～～9.24×10-3cm/s,具有良好的排水性能.從滲透性看,該砂卵石料為性能良好的透水料,能夠滿足壩殼料的滲透性要求.滲透變形是滲透特性中另一個重要的研究內(nèi)容,對于滲透變形的要求,無論是對防滲體還是對壩殼都是一致的,即在水流作用下壩體任何區(qū)域都不能產(chǎn)生滲透變形或滲透破壞現(xiàn)象.根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,目前一致認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu<5的均勻土,在一定水力坡降下,局部較易地發(fā)生流土;Cu>5的不均勻砂、礫石既可能發(fā)生流土,也可發(fā)生管涌,主要決定于細(xì)小顆粒的含量或孔隙直徑的大小.研究指出,級配不連續(xù)的砂礫石,其填料(細(xì)料)含量P2小于25%時,其破壞形式為管涌;而細(xì)料含量大于35%時,則破壞形式常為流土;細(xì)粒含量介于25%～35%之間時為過渡型.從表1中可以得知,水牛家填筑的砂卵石含礫量范圍在80.82%～85.86%之間,則其對應(yīng)的細(xì)粒含量P2介于14.14%～19.18%之間,小于25%其破壞形式為管涌(表2).5粗粒土大型三軸剪切試驗和直剪試驗抗剪強(qiáng)度是土石料最為主要的工程特性指標(biāo)之一,是天然土石體、人工填筑的河堤、土石壩、路基等土石方工程穩(wěn)定分析的依據(jù).土石壩壩體填筑料的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為在一定應(yīng)力狀態(tài)下一部分填料對另一部分填料發(fā)生剪切破壞時的極限抵抗能力.因而確定填料的抗剪強(qiáng)度是研究土石壩穩(wěn)定性時必須首先要解決的問題.目前土的抗剪強(qiáng)度的主要測試方法是直接剪切試驗和三軸剪切試驗,由于粗粒土顆粒粒徑大,常規(guī)的土工試驗儀器因試樣尺寸小而不能使用,為了滿足工程穩(wěn)定分析計算的需要,利用大型三軸儀和大型直剪儀開展粗粒土大型三軸剪切試驗和大型直剪試驗,測定粗粒土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和研究抗剪強(qiáng)度特性.在此次大壩砂卵石堆石料的抗剪強(qiáng)度試驗中,共計進(jìn)行了大型三軸剪切試驗和大型直剪試驗各七組,在此列舉典型的4#試驗結(jié)果如下:(圖2)大型三軸剪切試驗剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系曲線,(圖3)4#剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系曲線;(圖4)大型三軸剪切試驗4#(CD)主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線.抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果如表3所示.對比砂卵石堆石填筑料的三軸試驗和直剪試驗結(jié)果可知,直剪試驗得到的內(nèi)摩擦角?要比三軸試驗獲得的大.分析其原因,主要是由于直接剪切試驗剪切面是固定的、而剪切面積隨著剪切位移的增加而減小,剪切力和剪應(yīng)變分布都不均勻,且不能嚴(yán)格控制排水條件等因素影響,從而使得土樣的內(nèi)摩擦角?值偏大;而三軸試驗的剪切面是不固定的、剪切沿試樣抗剪能力最弱的面破壞,剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布均勻,而且能嚴(yán)格控制排水條件,對結(jié)果更接近于土樣的實際理論值,因而更能合理地反映土體的抗剪強(qiáng)度.所以,對比較重要的工程應(yīng)盡可能進(jìn)行三軸剪切試驗,但對粗粒土而言二者相差較小,且三軸剪切試驗儀器復(fù)雜、操作復(fù)雜,試驗時間長,相對而言直剪儀構(gòu)造簡單,操作方便迅速,還有大量的實踐經(jīng)驗可以類比參照,所以兩種方法目前都在廣泛使用.6關(guān)于砂石壩的物理力學(xué)特性指標(biāo)通過對該砂卵石填筑料的級配、壓實、滲透和強(qiáng)度等物理力學(xué)特性指標(biāo)的理論研究分析和工程類比結(jié)果看,該料為工程特性良好的粗粒土料,作高土石壩壩殼堆石料應(yīng)用時性能優(yōu)良,能夠充分滿足其對的強(qiáng)度和變形等的要求.通過對該料大量的土工試驗得到的物理力學(xué)特性指標(biāo)可作為類似壩殼料的參考指標(biāo),為此類高土石壩提供參考.從大壩修筑的實踐看,用塊石、棄渣等料做堆